DE19939873A1

DE19939873A1 - Pistons for a hydraulic pressure chamber

Info

Publication number: DE19939873A1
Application number: DE19939873A
Authority: DE
Inventors: Uwe Hendrich; Rolf Weiler; Peter Schneider; Uwe Zeibig
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG; Sander GmbH and Co
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG; Sander GmbH and Co
Priority date: 1999-07-02
Filing date: 1999-08-24
Publication date: 2001-01-04
Also published as: JP2003503661A; JP4727878B2

Abstract

The invention relates to a piston (1) for a hydraulic pressure chamber, especially the piston bore of a partially lined disk brake, whereby the piston (1) is configured as a pot-shaped hollow cylinder which is open on one side and is produced from a metal blank having a constant wall thickness in a forming process. The aim of the invention is to produce a piston (1) which is easy to manufacture and is lighter than cast pistons of prior art without reducing the stress capacity of said piston, whereby the piston (1) is provided with at least one section (X,Y) comprising a fold and wherein the wall (3) of the piston or the bottom thereof (2) has an increased thickness. As a result, the piston (1) is advantageously and correspondingly reinforced exclusively in areas of high stress.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen hydraulischen Druckraum, insbesondere eine Kolbenbohrung einer hydraulischen Bremse gemäß dem Oberbegriff des Pa tentanspruchs 1.The present invention relates to a piston for a hydraulic pressure chamber, in particular a piston bore a hydraulic brake according to the preamble of Pa claim 1.

Aus der DE 40 03 731 A1 ist bereits ein kaltverformter Kol ben für eine hydraulisch arbeitende Bremse bekannt, der vorzugsweise im Tiefziehverfahren hergestellt ist, und wel cher im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten gegossenen Kolben verhältnismäßig dünnwandig und damit leichter gestaltet ist. Um die Wände des Kolbens bei einer Kraftbeaufschlagung vor Verformung zu schützen, besitzt der bekannte Kolben einen gewölbten Boden und eine an seinem Umfang einrollierte Nut, welche die Form des Kolbens ver steifen. Durch die dünnwandige Ausführung derartiger Stahl kolben gegenüber solchen im Graugußverfahren hergestellten ergibt sich, daß auch die stirnseitige Anlagefläche des Topfrandes am offenen Kolbenende am Bremsbelag erheblich verkleinert ist gegenüber gegossenen Kolben. Die Folge ist ein hoher Flächendruck, welcher nicht wünschenswert ist. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß ein derartiger Kolben insbesondere bei dünnwandiger Gestaltung unter Belastung unzulässig hohe Verformungen aufweist.From DE 40 03 731 A1 a cold-formed Kol is already ben known for a hydraulic brake, the is preferably produced in the deep-drawing process, and wel cher compared to known from the prior art cast piston relatively thin-walled and therefore is made lighter. Around the walls of the piston at one To protect the application of force against deformation, the known pistons a curved bottom and one on his The circumferential curled groove, which ver the shape of the piston stiff. Due to the thin-walled design of such steel pistons compared to those produced in the gray cast iron process it follows that the end face of the Pot rim on the open piston end on the brake pad considerably is smaller compared to cast pistons. The result is a high surface pressure, which is not desirable. In addition, it has been shown that such a piston especially with thin-walled design under load has impermissibly high deformations.

Ausgehend vom bekannten Stand der Technik besteht die Auf gabe der vorliegenden Erfindung darin, einen mittels eines einfachen Umformverfahrens herstellbaren Kolben anzugeben, der unter geringem Materialaufwand möglichst leicht gestal tet ist ohne die Belastbarkeit des Kolbens einzuschränken. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kolben mit den Merk malen des Anspruchs 1. Das Prinzip der Erfindung liegt dar in, den Kolben aus einem möglichst dünnwandigen Metallzu schnitt konstanter Wandstärke, insbesondere in Form einer Ronde, durch ein spanloses Umformungverfahren, insbesondere ein Kaltverformungsverfahren, herzustellen, um gegenüber bekannten Gußkolben Gewicht einzusparen. Zur Erhöhung der Belastbarkeit des Kolbens wird dieser an den gefährdeten Abschnitten durch Umformmaßnahmen am Metallzuschnitt ver stärkt. Besonders vorteilhaft kann der Kolben dabei in den besonders stark belasteten Bereichen mit gefalteten Ab schnitten versehen sein, wodurch die Dicke der Kolbenwand bzw. des Kolbenbodens gegenüber der Dicke der übrigen Kol benwand bzw. des Bodens erhöht wird. Insgesamt entspricht die Dicke in diesen verstärkten Abschnitten der mehrfachen Wandstärke des Metallzuschnitts. Hieraus ergibt sich gegen über bekannten Kolbenausführungen eine erhebliche Gewichts einsparung unter Beibehaltung der erforderlichen Kolbenfe stigkeit sowie Kolbensteifigkeit.Starting from the known prior art, there is the the present invention in one by means of a to specify pistons that can be produced using a simple forming process, which is as light as possible with little material tet without restricting the load capacity of the piston. This problem is solved by a piston with the Merk paint the claim 1. The principle of the invention is in, the piston made of a thin-walled metal cut constant wall thickness, especially in the form of a Ronde, through a non-cutting forming process, in particular a cold forming process to manufacture to face save known piston weight. To increase the Resilience of the piston will affect the endangered Sections by forming measures on the metal blank ver strengthens. The piston can be particularly advantageous in the particularly heavily used areas with folded ab be cut, reducing the thickness of the piston wall or the piston crown relative to the thickness of the other pistons benwand or the floor is increased. Overall corresponds the thickness in these reinforced sections of the multiple Wall thickness of the metal blank. From this follows Considerable weight over known piston designs saving while maintaining the required piston area strength and piston rigidity.

Als unter Kraftbeaufschlagung stark beanspruchte Bereiche sind vor allem der Rand am offenen Ende des topfförmigen Kolbens sowie der Übergangsbereich zwischen Kolbenwand und Kolbenboden mit derartigen, um die Kolbenachse umlaufenden Faltungen zur Verstärkung dieser Abschnitte versehen. Durch die Faltung am Rand mit einer vorzugsweise Verdopplung der Wandstärke des Metallzuschnitts wird gleichzeitig die am Rand ausgebildete kreisringförmige Anlagefläche vergrößert.As areas subject to heavy use when subjected to force are especially the edge at the open end of the pot-shaped Piston and the transition area between the piston wall and Piston plate with such, rotating around the piston axis Provide folds to reinforce these sections. By the folding at the edge with a preferably doubling of the Wall thickness of the metal blank is at the same time Edge formed annular contact surface enlarged.

Besonders vorteilhaft läßt sich der neue Kolben in einer hydraulisch arbeitenden Bremse einsetzen. Solche Bremskol ben sind üblicherweise mit ihrem Kolbenboden dem hydrauli schen Druck ausgesetzt und liegen mit der stirnseitigen An lagefläche am offenen Kolbenende an einem Bremsbelag an. Dabei wird der Kolbenrand nach der spanlosen Umformung des rondenförmigen Metallzuschnitts an seiner Stirnfläche vor zugsweise einer mechanischen Nachbearbeitung der Stirnflä che unterzogen, um die Maßgenauigkeit der glatten Anlage fläche zu erhöhen. Die Anlagefläche ist durch die Faltung gegenüber der übrigen Querschnittsfläche der dünnen Kolben wand vergrößert und vermindert damit die Flächenpressung am Bremsbelag durch den Kolben.The new piston can be particularly advantageous in one Use the hydraulic brake. Such brake piston ben are usually the hydraulic with their piston crown exposed to pressure and lie with the front face Contact surface on the open piston end on a brake pad. The piston rim is after the non-cutting shaping of the disc-shaped metal blank on its face preferably a mechanical finishing of the end face surface subjected to the dimensional accuracy of the smooth system increase area. The contact surface is due to the folding compared to the remaining cross-sectional area of the thin pistons wall increases and thus reduces the surface pressure on Brake pad through the piston.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung besitzt der Kolben in seiner Kolbenwand einen radialen Absatz, der zusammen mit dem gefalteten Abschnitt am Kolbenrand eine um die Kolben achse umlaufende Nut auf der außenliegenden Kolbenmantel fläche ausbildet. Eine derartige Nut kann im eingebauten Zustand des Kolbens in der hydraulischen Bremse insbesonde re zur Aufnahme eines Dichtringes oder eines sonstigen Dichtelementes genutzt werden. Eine spanabhebende Nachbear beitung des Kolbens zur Erstellung der Nut wie bei bisher bekannten Gußkolben kann damit entfallen. Gleichzeitig dient der umlaufende radiale Absatz auf der Innenseite der Kolbenwand als Abstützfläche für eine sich in das Kolbenin nere erstreckende Belaghaltefeder, die den Absatz hinter greifen kann.According to a preferred development, the piston in its piston wall has a radial shoulder, which together with the folded section at the edge of the piston around the piston Axial circumferential groove on the outer piston skirt area. Such a groove can be built in Condition of the piston in the hydraulic brake in particular re to accommodate a sealing ring or another Sealing element can be used. A machining follow-up Machining the piston to create the groove as before known casting pistons can thus be omitted. At the same time serves the circumferential radial shoulder on the inside of the Piston wall as a support surface for one in the piston nere extending pad retaining spring that the heel behind can grab.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Kolbens ist der Kolbenboden gewölbt ausgebildet, wobei die außen liegende Fläche des Bodens eine konvexe Wölbung aufweist. Dadurch kann der Kolben je nach Belastungsanforderung mit sehr geringer Wandstärke und damit minimalem Materialauf wand bei lediglich geringfügigen elastischen Verformungen unter Belastung ausgelegt werden.In a further advantageous embodiment of the piston the piston crown is curved, the outside lying surface of the floor has a convex curvature. This means that the piston can be used depending on the load requirement very small wall thickness and therefore minimal material wall with only slight elastic deformations be designed under load.

Eine nähere Erläuterung des Erfindungsgedankens erfolgt nun anhand der Beschreibung eines in der Zeichnung dargestell ten bevorzugten Ausführungsbeispiels.A more detailed explanation of the inventive concept is now given based on the description of one shown in the drawing th preferred embodiment.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Kolben im Längsschnitt. Fig. 1 shows a piston according to the invention in longitudinal section.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen in einem Um formverfahren, vorzugsweise in einem spanlosen Kaltverfor mungsverfahren, aus einem Metallzuschnitt hergestellten Kolben 1 für eine hydraulische Bremse, insbesondere eine Teilbelagscheibenbremse für Kraftfahrzeuge. Der Metallzu schnitt besitzt vorteilhaft die Form einer Ronde von kon stanter Wandstärke. Die Formgebung des Kolbens 1, der im wesentlichen als einseitig offener zylindrischer Topf ge staltet ist, erfolgt dabei vorzugsweise durch eine Tiefziehbearbeitung bzw. ein tiefziehähnliches Umformver fahren. Der Kolben 1 besitzt einen nach außen gewölbten Kolbenboden 2, der auf diese Weise gegen Verformungen ge schützt und damit zur Beaufschlagung mit hydraulischem Druck insbesondere innerhalb einer Kraftfahrzeugbremse ge eignet ist, und eine Kolbenwand 3, die am offenen Ende des topfförmigen Kolbens 1 in einen Rand 4 übergeht. Fig. 1 shows a longitudinal section through a in a molding process, preferably in a chipless Kaltverfor processing method, made from a metal blank piston 1 for a hydraulic brake, in particular a partial brake disc for motor vehicles. The Metallzu cut advantageously has the shape of a round blank of constant wall thickness. The shaping of the piston 1 , which is designed essentially as a cylindrical pot which is open on one side, is preferably carried out by deep-drawing processing or a deep-drawing-like Umformver. The piston 1 has an outwardly curved piston crown 2 , which protects ge from deformation in this way and is therefore suitable for acting on hydraulic pressure, particularly within a motor vehicle brake, and a piston wall 3 , which is at the open end of the cup-shaped piston 1 in an edge 4 passes.

An seinem Rand 4 am offenen Kolbenende besitzt der Kolben 1 einen gegenüber der Kolbenachse 5 um 180° umgefalteten um laufenden Abschnitt 6. Durch den mit einer Faltung versehe nen Abschnitt X ergibt sich am Rand 4 eine gegenüber der sonstigen Kolbenwand- bzw. Kolbenbodendicke vergrößerte Ma terialstärke, die bei einfacher Faltung der doppelten Wand stärke des Metallzuschnittes entspricht. Am Rand 4 ist eine kreisringförmige Anlagefläche 7 für einen nicht gezeigten Bremsbelag vorgesehen. Dabei ist die Anlagefläche 7 infolge der Faltung am Rand 4 größer als die sonstige Querschnitts fläche der Kolbenwand 3. Diese Anlagefläche 7 entspricht in ihrer Größe im wesentlichen der Größe der Anlagefläche, welche üblicherweise ein im Graugußverfahren hergestellter Kolben aufweist. Das heißt, daß für den erfinderisch ge stalteten Kolben trotz seiner dünnwandigen Formgebung bei hydraulischer Druckbeaufschlagung gegenüber einem entspre chenden Gußkolben die gleiche bzw. bei Mehrfachfaltung so gar eine reduzierte Flächenpressung am Bremsbelag erreicht wird. Die unerwünschte Schädigung möglicherweise verwende ter Dämpfungselemente am Bremsbelag kann damit aufgrund ge ringer Flächenpressung infolge der großen Anlagefläche 7 unterbunden werden.At its edge 4 at the open piston end, the piston 1 has a section 6 folded over 180 ° with respect to the piston axis 5 . The section X provided with a fold results in an increased material thickness at the edge 4 compared to the other piston wall or piston crown thickness, which corresponds to a simple folding of twice the wall thickness of the metal blank. At the edge 4 , an annular contact surface 7 is provided for a brake pad, not shown. The contact surface 7 is due to the folding at the edge 4 larger than the other cross-sectional area of the piston wall 3rd The size of this contact surface 7 corresponds essentially to the size of the contact surface, which usually has a piston manufactured using the gray cast iron process. That means that for the inventively designed piston despite its thin-walled shape with hydraulic pressurization compared to a corresponding casting piston, the same or, in the case of multiple folding, a reduced surface pressure on the brake pad is achieved. The undesirable damage possibly used damping elements on the brake pad can thus be prevented due to low surface pressure due to the large contact surface 7 .

Die Kolbenwand 3 weist in der Nähe des Randes 4 einen um die Kolbenachse 5 umlaufende radialen Absatz 8 auf, welcher ebenfalls durch eine spanlose Kaltverformung, beispielswei se durch Rollieren, in die Kolbenwand eingebracht wird. Durch den Absatz 8 sowie den umgefalteten Abschnitt 6 am Rand 4 wird auf der außenliegenden Mantelfläche 9 der Kol benwand 3 eine umlaufende Nut 10 ausgebildet während auf der radialen Innenseite der Kolbenwand 3 eine Schulter 11 entsteht. Im montiertem Zustand des Kolbens 1 innerhalb ei ner nicht gezeigten hydraulischen Bremse kann die Nut 10 zur Aufnahme eines Dichtringes oder eines sonstigen Dichte lementes dienen. Die Schulter 11 liefert gleichsam eine einfache Möglichkeit zur Abstützung bzw. Verankerung einer ebenfalls nicht gezeigten bremsbelagseitig befestigten Be laghaltefeder, die die Schulter 11 hintergreifen kann.The piston wall 3 has in the vicinity of the edge 4 a radial shoulder 8 which runs around the piston axis 5 and which is also introduced into the piston wall by non-cutting cold deformation, for example by rolling. Through the paragraph 8 and the folded section 6 at the edge 4 benwand 3 is formed on the outer lateral surface 9 of the Kol 3 a circumferential groove 10 while a shoulder 11 is formed on the radial inside of the piston wall 3 . In the assembled state of the piston 1 within a hydraulic brake, not shown, the groove 10 can serve to receive a sealing ring or other sealing element. The shoulder 11 provides, as it were, a simple possibility for supporting or anchoring a brake pad-side spring, also not shown, which is able to reach behind the shoulder 11 .

Allgemein wird der Kolben während seines Herstellprozesses durch spanlose Kaltverformung, insbesondere durch Tiefzie hen, eines rondenförmigen Metallzuschnittes konstanter wandstärke in seine einseitig offene Topfform gebracht. Da bei können grundsätzlich neben der Kaltverformung auch an dere geeignete, spanlose Umformverfahren zum Einsatz gelan gen. Anschließend werden die mit Faltungen versehenen Ab schnitte X und Y sowie der Absatz 8 vorzugsweise in einer Kombination einer Umformbearbeitung mit einem Rollierver fahren in die Kolbenwand 3 bzw. den Kolbenboden 2 spanlos eingeformt. Analog dazu können selbstverständlich auch an dere entsprechende Kaltverformungsverfahren angewendet wer den. Der weitere Vorteil dieser Kaltverformungsverfahren liegt in der Kaltverfestigung in den umgeformten Kolben wandabschnitten. Durch die geometrische Ausbildung (Faltung) und Kaltverfestigung des Kolbenmaterials wird trotz einer Materialbeanspruchung infolge der Verformung während des Herstellprozesses, die erforderliche Festigkeit sowie Steifigkeit des Kolbens erreicht. Dies gilt in beson derem Maße für die mit Faltungen versehenen Abschnitte X und Y. Daraufhin wird die bremsbelagseitige Stirnfläche des Randes 4 - vorzugsweise spanend - nachbearbeitet, so daß eine glatte Anlagefläche 7 entsteht, an der der Bremsbelag flächig anliegen kann. Optional kann auch die Nut 10 noch einer mechanischen Nachbearbeitung unterzogen werden, um deren Maßgenauigkeit sicherzustellen.In general, the piston is brought into its open-sided pot shape during its manufacturing process by non-cutting cold forming, in particular by deep drawing, of a circular-shaped metal blank of constant wall thickness. Since, in addition to the cold forming, other suitable non-cutting forming processes can also be used. Subsequently, the sections X and Y with folds and the heel 8 are preferably moved into the piston wall 3 or the piston crown 2 molded without cutting. Analogously, of course, corresponding cold-forming processes can also be used. The further advantage of this cold forming process lies in the work hardening in the deformed piston wall sections. Due to the geometric design (folding) and strain hardening of the piston material, the required strength and rigidity of the piston are achieved despite material stress due to the deformation during the manufacturing process. This applies in particular for the sections X and Y provided with folds. Thereupon, the end face of the edge 4 on the brake lining is - preferably machined - reworked, so that a smooth contact surface 7 is formed, against which the brake lining can lie flat. Optionally, the groove 10 can also be subjected to mechanical post-processing in order to ensure its dimensional accuracy.

Gegenüber einem Gußkolben ergeben sich weitere Vorteile wie beispielsweise eine Gewichtsreduzierung um über 100 g pro Kolben, da der kaltverformte Kolben an die Belastungsbedin gungen angepaßt sehr dünnwandig gestaltet werden kann. Dar über hinaus fallen beim kaltverformten Kolben Lunker- und Porositätsprobleme weg, wie sie bei Gußkolben auftreten. Als bevorzugten Kolbenwerkstoffe für den neuartigen Kolben sollten Stahl oder Niro-Materialien Verwendung finden. Je nach Anwendungsfall ist auch der Einsatz weiterer metalli scher Werkstoffe wie z. B. von Nicht-Edelmetallen oder Leichtmetallen (Aluminium) denkbar.Compared to a cast iron piston, there are other advantages such as for example a weight reduction of over 100 g per Piston, since the cold-formed piston meets the load conditions conditions can be designed very thin-walled. Dar in addition, blowholes and Porosity problems, as they occur with cast iron pistons. As the preferred piston material for the new type of piston steel or stainless steel materials should be used. Each depending on the application, the use of further metalli shear materials such. B. of non-precious metals or Light metals (aluminum) conceivable.

Claims

1. piston ( 1 ) for a hydraulic pressure chamber, which is designed as a cup-shaped hollow cylinder that is open on one side and is produced from a metal blank of constant wall thickness in a forming process, with a base ( 2 ) that can be acted upon by hydraulic pressure and with a piston wall ( 3 ), which merges at its open end into an edge ( 4 ) which has an annular bearing surface ( 7 ), characterized in that the piston ( 1 ) has at least one folded section (X, Y) in which the thickness of the piston wall or . The bottom is increased compared to the thickness of the remaining piston wall or the bottom and corresponds to the multiple wall thickness of the metal blank.

2. Piston according to claim 1, characterized in that the edge ( 4 ) at the open piston end has a folded around the Kol benachse ( 5 ) folded portion (X) with a multiple wall thickness of the metal blank.

3. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the edge ( 4 ) at least on its contact surface ( 7 ) is smoothed by mechanical post-processing.

4. Piston according to claim 1, characterized in that the piston ( 1 ) in its transition region between the bottom ( 2 ) and the piston wall ( 3 ) around the piston axis ( 5 ) circumferential folded section (Y) with egg ner multiple wall thickness of the metal blank has.

5. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the piston wall ( 3 ) has a ra dialen molded inward paragraph ( 8 ).

6. Piston according to claims 2 and 5, characterized in that the piston wall ( 3 ) on its outer circumferential surface has a circumferential around the piston axis ( 5 ) de groove ( 10 ), which from the paragraph ( 8 ) and a folded around Section ( 6 ) at the edge ( 4 ) is limited.

7. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the bottom ( 2 ) is curved out leads, the outer surface of the bottom having a convex curvature.

8. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the piston ( 1 ) is designed as a brake piston ben for a hydraulic brake.